摘要:随着物联网技术在现代农业科学中的应用和迅猛发展，自动化移动苗床已成为现代化设施农业释放劳动力、提高作业效率的重要农业装备。其中，移动苗床搬运车与固定苗床架之间的对接机构是自动化移动苗床功能实现的关键，对接机构决定着自动化移动苗床功能的完整性。为此，利用曲柄滑杆原理设计了一种由壳体、对接插杆、挡块、L型挡杆、连杆、滑杆和压缩弹簧等构成的结构简单、安全可靠的对接挡杆机构。该机构不仅可以顺利地完成苗床的对接转移，其L形挡杆还能在压缩弹簧的作用下恢复竖直自锁状态，抵住苗床框架阻挡其掉落。对机构进行对接准确性的试验验证表明:对接挡杆的对接准确率高达99.9%，符合正常试验误差范围之内;当工作速度在1m/s的速度以下时，对接挡杆机构在苗床单元惯性运动情况下限位成功率达到100%，满足实际生产需求。
关键词:设施农业;自动化移动苗床;对接挡杆机构;曲柄滑杆
引言
经过30多年的发展和探索，温室已成为我国现代化农业的主要形式[1-3]。根据数据显示，截至2017年，我国温室设施面积已突破210万hm2，相较2015年增长9.2%，已占世界温室面积的42.8%。随着温室生产规模的不断扩大，对其管理及应用技术提出了更高的要求。然而，在农业从业人员结构大幅变化的今天，苗床作为设施农业中一种重要的育苗设备在我国部分地区虽已有推广，但仍还存在机械设备陈旧、自动化水平不高及区域分布不均匀等问题[4]。因此，亟需通过引入现代化技术以提升管理水平和生产效率[5]。
苗床根据原理可分类为固定式苗床和自动化移动式苗床。固定式苗床因空间利用率极低等特点，正在逐渐被淘汰使用[6]，如图1所示。自动化移动苗床结构合理、安装简便，可多层安装，能有效提高温室空间利用率，解决温室作物生产效率低、劳动力不足和劳动力成本高等问题[7-13]，如图2所示。
无论是单层或多层自动化移动苗床，其搬运小车与苗床栽培架之间均需要有对接机构，便于搬运小车和栽培架之间实现精准对接，顺利完成苗床单元的转移，实现自动化。但因目前苗床的对接机构结构构造复杂、技术成本高昂等，其对接精度需要改进，同时自动化移动苗床存在整体投资过大，存在即使国产后投资仍然很大等问题[14-16]。随着“物联网+农业”概念的提出，我国研发国产化的自动化移动苗床相关装备已经刻不容缓[17-21]。
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为改善这一状况，本文在综合多层移动苗床装备技术相关特点并结合对接机构研究现状的基础上，设计了一款由壳体、对接插杆、挡块、L型挡杆、连杆、滑杆和压缩弹簧等构成的对接挡杆机构，具有结构简单、安全可靠、成本低和能耗小等特点[22-23]。
1总体阐述
1.1整体方案设计
对接挡杆机构主要由壳体、方对接插杆、圆对接插杆、挡块、苗床导轨、L形挡杆、连杆、滑杆及压缩弹簧等零部件组成，如图3所示。
对接挡杆机构的主要功能是:方对接插杆固定连接在圆对接插杆上，圆对接插杆安装在搬运机上，方对接插杆可以随着圆对接插杆插入和拔出壳体，从而完成对接功能。
圆对接插杆的主要作用有:①支撑位于其上部的移动苗床，是搬运机对移动苗床进行搬运的执行部件;②圆对接插杆端部采用阶梯型圆锥设计，可以更好地实现与壳体之间的精准对接。方对接插杆的主要作用有:①作为动力插杆，插入壳体下部，从而推动L形挡杆下部短臂运动，使得L形挡杆长臂旋转到大致水平位置，进而使苗床进行转移和搬运;②方对接插杆与圆对接插杆组成双对接机构，提高对接的精度、可靠性和稳定性。壳体固定安装在苗床往返机构上的苗床导轨端部下方，内部右端固定有一个挡块，用来对L形挡杆的短臂进行右侧定位及限位。对接挡杆机构中L形挡杆、连杆、滑杆和弹簧构成可自锁的曲柄滑杆机构。其中，L形挡杆安装在壳体内部，与壳体组成转动副;L形挡杆的短臂充当曲柄的作用，与连杆铰接构成铰链副，连杆与滑杆端部铰接构成铰链副;滑杆穿过壳体，与壳体构成滑移副;滑杆上套有压缩弹簧，压缩弹簧作用于滑杆与壳体之间，为曲柄滑杆机构提供弹簧力达到预紧和自锁的目的。
1.2工作原理图
4为对接挡杆机构插入状态工作示意图。当圆对接插杆和方对接插杆都插入壳体后，即完成了对接过程。此时，L形挡杆短臂在方对接插杆和机构的弹簧力合力下，保持接近水平位置锁定状态，L形挡杆长臂也旋转到相应的接近水平位置，进而使苗床进行转移和搬运的过程不发生干涉。当苗床转移和搬运完成，圆对接插杆和方对接插杆拔出对接挡杆机构壳体，L形挡杆在压缩弹簧的作用下恢复原始竖直自锁状态，挡住苗床的框架，阻挡苗床掉落。
2关键部件及主要参数确定
2.1曲柄滑杆机构的设计
连杆机构可以在原动件运动规律不变的条件下，通过改变各构件的相对长度使动件得到不同的运动规律，还可以方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动的目的[24]。为了使L型挡杆起到预紧和自锁功能，采用曲柄滑杆机构。曲柄滑杆机构是对接挡杆机构的关键功能部件，决定着移动苗床单元在搬运机与立体栽培架之间转移和搬运的可靠性和安全性。对接挡杆机构中L形挡杆、连杆、滑杆和压缩弹簧构成可自锁曲柄滑杆机构。其中，L形挡杆的转轴安装在壳体内部前端通孔中，与壳体构成转动副;L形挡杆的短臂充当曲柄的作用，与连杆铰接构成转动副;连杆与滑杆端部铰接构成转动副;滑杆穿过壳体端部通孔，与壳体构成滑移副，滑杆上套有压缩弹簧，压缩弹簧作用于滑杆与壳体之间，为曲柄滑杆机构提供弹簧力达到可自锁的目的。接挡杆机构中曲柄滑杆机构的结构，如图5所示。
2.2曲柄滑杆机构的受力分析
对曲柄滑杆机构进行受力分析，以保证机构的可靠性，曲柄连杆的机构运动简图如图6所示。为简化模型起见，忽略机构零件的自重和摩擦力[25-26]。L形挡杆简化为挡杆AB，连杆简化为BC，滑杆简化为C，滑杆C和L形挡杆AB的转动副中心O点在同一水平面上，A点是移动苗床单元对L形挡杆的力的作用点。
6中，FC为压缩弹簧对滑杆C的作用力，FNC为壳体对滑杆C的支持力，FCB为滑杆C对连杆BC的作用力，F'CB为连杆BC对挡杆AB上B点作用力的水平分力，FB为连杆BC对挡杆AB上B点作用力的水平分力，FNB为连杆BC对挡杆AB上B点作用力的竖直分力，FA为移动苗床单元对挡杆AB上A点的作用力，FO为壳体对挡杆AB的反作用力，θ为挡杆AB和连杆BC之间的夹角。
为了使弹簧能够可靠地工作，弹簧材料必须具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有足够的塑性和韧性及良好的可热处理性。常用的低锰弹簧钢与普通碳素弹簧钢相比，具有淬透性较好和强度高的优点，且价格相对便宜，非常适合制造一般机械上尺寸不大的弹簧，本机构采用65Mn材料弹簧钢丝，弹簧钢丝切变模量G=79000MPa。
3试验与结果
根据前文中对接挡杆机构的结构设计和研究，对其各零件进行加工制造，然后装配得到该机构的实物样机，如图7所示。
由结构设计可知，对接挡杆机构主要有两个功能:一是当苗床单元在立体栽培架和搬运机之间转移时，可以更好地使搬运机和立体栽培架精准对接，以便顺利完成苗床单元的转移，实现自动化;二是作为安全限位机构，挡住苗床框架，阻挡苗床掉落，确保安全。对接挡杆机构对于自动化移动苗床装置整机的可靠性有至关重要的作用，是立体栽培架和搬运机之间的衔接机构，下面将对机构两个功能分别进行试验验证，以确保所设计机构的安全性、可靠性和稳定性。
3.1对接功能试验
测试方法:将圆对接插杆和方对接插杆按照设计方案固连在一起，将推进机构进行插入对接，验证能否将对接插杆能够顺利插入对接挡杆机构，同时验证苗床单元能否从对接挡杆机构顺利滚动到对接插杆上。图8是多层立体自动化移动苗床，图9是对接功能试验过程
经过多次调试和试验，得知对接挡杆的对接准确率高达99.9%，符合正常试验误差范围。所以，得出结论，对接挡杆机构能够很好地完成对接功能，使苗床单元顺利转移。
3.2安全限位功能试验
对接挡杆机构安全限位功能试验，主要验证对接挡杆机构在苗床往返机构上能否阻挡苗床单元由于惯性运动或者波动时而产生的运动，阻挡其掉落。因为移动小车上面载满了苗床，属于负重状态，同时搬运过程中不需要急速运动等，所以苗床的速度不能太快。本文将电动推杆接通电源后，使苗床往返机构分别在0～1.50m/s的工作速度范围区间内推动苗床单元运动，在苗床单元惯性情况下测试对接挡杆机构的限位功能，如图10所示。
经过多次试验验证得到:当工作速度在1m/s的速度以下时，对接挡杆机构在苗床单元惯性运动情况下限位成功率达到100%;当速度大于1m/s以后，准确率逐渐下降约为99.1%，综合考虑工作效率等，最终选用速度为0.06m/s效率最佳。因此，可得出结论:在正常速度范围内，对接挡杆机构的限位功能时满足功能的，本机构在安全限位功能方面满足使用要求
4结论
在结合国内外移动苗床研究现状的基础上，设计了一种利用曲柄滑杆原理的对接挡杆机构，并完成了机构的关键零部件的结构设计。
试验表明:对接挡杆的对接准确率高达99.9%，符合正常试验误差范围之内;当工作速度在1m/s的速度以下时，对接挡杆机构在苗床单元惯性运动情况下限位成功率达到100%。对接挡杆机构能够顺利实现苗床的转移及自动锁定功能实现了安全限位功能，达到了机构的设计目的和要求。
